柴油机工作原理详解

学习目标

1.了解柴油机的主要结构组成

2.掌握柴油机的基本工作原理

一、柴油机的基本结构

柴油机是一种将燃油和空气在气缸内部混合的压燃式发动机。空气在燃烧室内被高强度压缩，由此产生高温。柴油喷入气缸时，便可实现自燃。柴油机是一种内燃机，具有较高的效率，较低的燃油消耗和排放，还具有平稳加速的运行特性。柴油机适于加装涡轮增压器，这不仅可提高其输出功率和效率，还可减少废气排放和燃烧噪声。

柴油机可分为两冲程柴油机和四冲程柴油机。用于汽车的柴油机通常是四冲程柴油机。柴油机有一个或多个气缸，燃油混合气燃烧产生的高压力驱动气缸内的活塞做往复运动。以这种方式工作的内燃机称为往复活塞式发动机。

柴油机的基本结构如图1-7所示。连杆的作用是将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。安装于曲轴后端的飞轮用于储存能量，并降低气缸周期性做功所产生的旋转振动，改善曲轴受力条件。曲轴的旋转速度即发动机转速。

图1-7 四缸柴油机

1—凸轮轴 2—气门 3—活塞 4—燃油喷射系统 5—气缸 6—废气再循环 7—进气歧管 8—涡轮增压器 9—排气管 10—冷却系统 11—连杆 12—润滑系统 13—缸体 14—曲轴 15—飞轮

进排气门控制着空气的吸入和混合气燃烧后废气的排出。它们负责开启和关闭气缸的进排气口，每缸的进排气口可以有一个或多个气门。

二、四冲程柴油机的工作循环

四冲程柴油机的工作循环如图1-8所示。每一循环有四个行程，即进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程。

（1）进气行程 进气行程从上止点（TDC）开始，活塞6向下运动，气缸的容量随之增大。同时，进气门3开启，空气经进气门涌入气缸。当活塞运行到下止点（BDC）时，进气行程结束。此时，气缸容积达最大值（V_h+V_c）。

（2）压缩行程 进气终了时，进气门和排气门关闭。活塞向上运动，压缩气缸内的空气。在此过程中，空气温度可升高到900℃。当压缩行程快结束时，喷油器将燃油喷入气缸，喷射压力最高可达200MPa（共轨柴油机）。当活塞到达上止点时，气缸容积降至最小值（V_c）。

（3）做功行程 几乎在燃油喷入气缸的同时，混合气开始自行燃烧。气缸内温度迅速升高，压力也大幅度增加。持续增长的高压力推动活塞向下运动，完成燃料燃烧释放的化学能向机械能的转换，曲轴将活塞的动能转换为转矩输出。

（4）排气行程 活塞到达下止点之前，排气门4开启，有一定残余压力的高温废气排出气缸，当活塞完成换向、上行时，推动剩余的废气排出气缸。当排气行程结束时，曲轴已旋转两周，四冲程工作循环又重新从进气行程开始，如此反复的工作循环在各缸间交替进行，因此柴油机会源源不断地输出动力。

图1-8 四冲程发动机的工作循环

a）吸气行程 b）压缩行程 c）做功行程 d）排气行程

1—进气凸轮 2—喷油器 3—进气门 4—排气门 5—燃烧室 6—活塞 7—气缸 8—连杆 9—曲轴 10—排气凸轮

d—缸径 M—转矩 s—活塞行程 V_c—压缩容积 V_h—活塞工作容积 TDC—上止点 BDC—下止点(www.xing528.com)

三、二冲程柴油机的工作循环

通过活塞的两个冲程完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机，即完成一个工作循环曲轴只转一圈。与四冲程柴油机相比，它提高了做功能力，在具体结构及工作原理方面也存在较大差异。主要差异在配气机构方面。二冲程柴油机没有进气门，而是在气缸下部开设扫气口及排气口；或设扫气口与排气门机构。有的二冲程柴油机连排气门都没有，专门设置一个由运动件带动的扫气泵及储存压力空气的扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，由此简化了柴油机结构。扫气泵附设在柴油机的一侧，它的转子由柴油机带动。空气经扫气泵压缩后排出，储存在具有较大容积的扫气箱中，并在其中保持一定的压力。二冲程柴油机的工作循环如图1-9所示。

图1-9 二冲程发动机的工作循环

a）扫气 b）压缩开始 c）做功 d）排气

1—扫气泵 2—扫气箱 3—扫气口 4—喷油器 5—排气门

（1）燃烧膨胀及排气行程 燃油在燃烧室内着火燃烧，形成高温高压燃气。活塞在燃气的推动下，由上止点向下运动，对外做功。活塞下行至排气门打开，此时燃气膨胀做功结束，气缸内大量废气靠自身高压自行排出，从排气口经排气管排到车外。

（2）扫气及压缩行程 活塞继续下行、打开扫气口，新鲜空气进入气缸。活塞运行到下止点后换向、上行。此时排气门仍打开，新鲜空气进入后将气缸内残留的废气挤出。当活塞封堵扫气口时，进气行程结束。排气门关闭，气缸中的空气开始被压缩。当压缩至上止点前某一位置时，喷油器将燃油喷入气缸，进入下一工作循环。四、二冲程柴油机与四冲程柴油机对比

二冲程柴油机的优点：

1）二冲程柴油机因为比四冲程柴油机少了两个行程，所以做功效率比四冲程柴油机高。

2）转矩的均匀性比四冲程柴油机好，因为曲轴转一圈完成一个工作循环。

3）结构较简单。

二冲程柴油机的缺点：

1）二冲程柴油机油耗较高，因为其换气损失较高。

2）扫气过程时间短，扫气不如四冲程柴油机完全，造成其对增压器过于依赖。

3）二冲程柴油机的活塞、气缸盖等主要机件的温度都比四冲程柴油机高许多。

你学会了吗？

1.四冲程柴油机有哪几个工作行程？

2.柴油机的混合气是在缸内还是缸外形成的？

3.二冲程柴油机主要有哪些优缺点？